以分层堆积工艺制造模具

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以分层堆积工艺制造模具
20世纪80年代末便已建立起了开发快速成型工艺的技术基础。当时，在市场上出现了最早的3D CAD应用技术，采用这种CAD系统已可以进行三维结构设计和完成虚拟构件。这种从空间表示结构的优点在当时只能局限应用于设计部门。而结构数据的传输，仍然只能通过二维的生产图纸来实现。
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在1984年，Chuck Hull 开发出了一种终于可以以物理模型来传送结构数据的工艺，通过立体印刷术首次成功实现了分层堆积原理，随之出现了建造可在工业上应用的设备。接着很快又出现了另一些工艺，以至于现在我们已经有了多种选择。随着时间的推移，基于这种工艺的原理也不过只有很少的变化。构件由平板材、箔材、粉末状或液态的原材料来制造。在制造时，首先把材料层涂在相应的制造平台上，接着将这种材料层，通过烧结等方式固化成构件实际的横断面轮廓，并同位于其下面的材料层进行结合。通过重复进行这两步工序，逐渐地制造出所要求的构件。基于这一原理的工艺被称作材料堆积成型制造工艺，并归类于快速成型制造技术。而快速成型制造技术这一概念，概括了可以快速制造复杂构件、模具或小批量构件的所有生产工艺。

图1 越来越好：通过快速成型技术在很广的范围内替代了样品或原型的手工制作。
8 C/ k7 C/ ~& o4 y* l附带的效果：制造费用与构件的复杂程度无关。好久以来，采用这种设备不仅可以
制造原型或整个的注塑模，而且还可以制造塑料或金属材质的完好的最终产品。
这种产品与原材料相比，在材料性能上很大程度是相同的

+ D: j  `; Q/ q不用刀具的生产

通过分层堆积制造原理，在一定程度上把三维生产任务简化成多个二维生产工序。这种不用刀具的生产工艺，有利于以十分精确的物理模型复制成具有复杂的几何形状的构件。在复制时，制造费用和制造时间与构件的复杂程度无关。在快速成型制造中，这种工艺用于快速和低成本制造样件和原型，应用这种工艺的前提条件是要有三维CAD数据。对于大多数快速成型技术，这些数据是以专门的STL文件*（Standard Transformation Language——标准转换代码）的数据格式来传输的。然后确定诸如激光器功率、扫描频率和堆积材料层厚度等工艺参数。接着在构件准备中以虚拟的方式对构件进行涂层覆盖，可以启动生产过程。对于这种生产过程，如需要制造多个构件，也可同时在一个生产过程中来进行制造。这种构件的堆积成型过程是自动进行的。根据涂层材料的厚度和构件大小的不同，该成型过程可延续几小时到数天的时间。(STL文件是专门应用于CAD模型与快速成型制造设备之间进行数据转换的一种文件格式——译注)
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直观模型的制造，由于这种工艺技术而发生了根本性的变革。以目前已安装几千台这样的设备表明，快速成型制造技术是代表了当前技术的发展水平。通过快速成型制造，实际上已在很大的范围内替代了用手工制造样品或样件。即使在今天，这种仍是新的制造技术，而对它的开发也从未停止。某些工艺已有能力来制造金属构件，对于这种工艺显然可以应用于工具和模具制造中。

图2 以二维方式进行加工：（几乎）对于所有快速成型制造技术来说，将三维制造
7 M! Z8 m' Q# L* d6 l任务简化成了多个二维的生产工序。在生产时，首先把材料薄层涂在相应的制造平台上，
! }+ e( m/ y0 `0 Q* J接着，以这材料层通过例如这里所述的烧结、固化成构件实际的横断面轮廓，并同位于其
: c, }# ^5 [, k( ^& Q& q下面的材料层进行结合

: c2 N0 s. l$ ^% A质量和成本之间的协调
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加工金属的快速成型制造工艺，通常是建立在金属粉末层局部固化原理的基础之上的。目前，如下八家公司可提供按这种原理来生成构件的设备，即Eos，3D-Systems，MCP-HEK，Phenix Systems，Concept Laser，Trumpf，Prometal，Arcam。尽管设备以不同的工艺名称进行标志（例如，激光快速制造工艺，激光熔融沉积快速成型工艺，激光快速成型制造工艺或激光烧结工艺），然而，所有设备在工作原理上都是相同的。设备在可达到的构件质量或制造速度等工艺特性方面也是相近的。

对这些工艺特性起决定性影响的参数是可能达到的最小材料层厚度，这种可能小的材料层，取决于粉末材料的颗粒直径和涂层机构的精度，并由此决定了物理极限。所以，例如目前所采用的粉末颗粒大小，从几个μm到200μm。由此可以达到的构件表面粗糙度可控制在RZ=10μm（RZ表示不平度平均高度）范围内。另外，构件的表面质量还决定于构件在制造腔里的位置。相对于制造平面成尖角的构件范围存在着与工艺有关的阶梯效果。
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这种阶梯效果会降低构件的表面质量，只有当减薄材料涂层时才能减小这种阶梯效果。然而，由此会增加涂层的数量，当然，这样就会大大延长生产时间。所以，必须要在必需的构件表面质量和生产成本之间寻找一种妥协。今后所采用的制造材料是区分各个工艺的一个很好的特征。大多数加工的对象是专门针对设备和制造厂家的材料合金。迄今，标准的粉末材料品种（例如工具钢1.2343）几乎是不采用的，因为这种材料的融化温度需要一个很强的光束能。因此，可以看出，对于大多数工艺来说，采用高效率能源是一个明显的发展趋势。所以，许多设备制造厂家采用了大功率激光器。利用这样的激光器不仅能够烧结专门的金属混合材料，而且也可以烧结像钛或工具钢材料。由于粉末颗粒的不断优化，目前实际上已可以堆积成型无孔隙的构件（可渗透性＜1%）。由此用原材料涂层堆积成型的构件已可以达到类似于采用常规加工制作的构件的强度性能。

: y' K: f3 C" Z! J+ L% g图3 问题：对于与制造平面成尖角的构件部分，存在与工艺有关的阶梯效果，在进行堆积
! T2 i* N' R* i+ g成型工艺时，只有减薄涂层的厚度，才能减小这种阶梯效果，然而随之却
增加了涂层数量

! m) g6 Y4 E, x. x$ @0 o6 F0 D不采用激光能源来固化粉末材料涂层的唯有Arcam一家公司。该公司通过应用电子射线，一方面可以弥补与设备有关的激光烧结装置的缺点；另一方面，通过电子束的高功率密度在聚焦时可达到的更高热能，由此能产生极高的温度。这种高温除了可以普遍提高过程速度外，还有利于加工高熔点温度的或非常难于加工的材料，这种工艺，目前已能够用来制造压铸模。